پژوهش گران به رهیافت جدیدی دست یافته اند که می توان با بهره گیری از آن در آزمون های آکوستیک آزمایشگاهی، اثرات ناخواسته ی بوجود آمده بواسطه ی انعکاس امواج آکوستیکی از مرزهای ابزار آزمایشگاهی را حذف کرد.

ژئوفیزیک دانان برای تصویربرداری از سطوح زیرین زمین تا ۵۰ کیلومتر معمولاً از فناوری تصویربرداری بر پایه ی اصول زلزله شناسی استفاده می کنند. این آزمایش های مربوط به زلزله (که بسیار شبیه به ماوراء صوتی در پزشکی است) شامل اندازه گیری پراکندگی امواج آکوستیک از زیرِ زمین است. برای مثال در یک آزمایش زمین لرزه ای دریایی، آرایه ای از تفنگ های هوایی، سیگنالی آکوستیک را ایجاد می کنند که در آب و زیر سطح زمین منتشر می شود. یک کشتی که با کابل هایی به طول کیلومترها بکسل می کند و سپس امواج پراکنده از زیرسطحی را ثبت می کند که با استفاده از آن می توان هندسه ی زیرسطح زمین را بازسازی کرد (شکل یک).

شکل ۱) طرحی از یک سفر زیردریایی. منبعی ( S ) روی محفظه ای سیگنالی آکوستیکی ایجاد می کند که در آب و به درون زیر سطح زمین منتشر می شود. کشتی کابل هایی به طول چندین کیلومتر را با حس گرهایی که امواج بازتابیده از زیرسطحی را ثبت می کند می کشد. زمان بندی، دامنه و فرکانس امواج بازتابیده اطلاعاتی در مورد ساختار زمین و زیرسطحی اش بدست می دهد.

روش های زلزله شناسی در طول دهه های گذشته به شکل پیوسته ای بهبود یافته اند [۱] و هرچند غالباً با کاربردهایی برای جستجوی هیدروکربن به پیش رفته اند اما با اهداف علمی همچون مطالعه ی پوسته ی زمین نیز پیشرفت هایی داشته اند. با این حال بازسازی هندسه ی زیر سطح زمین از اندازه گیری های آکوستیکی یک فرآیند ذاتاً پیچیده باقی مانده است. پژوهش گران برای آزمایش مدل های انتشار امواج زلزله و فناوری های بازسازی، تمایل داشته اند تا آزمایش های کنترل شده و در مقیاس کوچک آزمایشگاهی را به انجام برسانند. با این وجود برخلاف آزمایش هایی که در محیط باز انجام می شود، طرح های آزمایشگاهی با دیواره های دستگاه آزمایشگاهی محدود می شوند. اکنون، تئودور بکر ( Theodor Becker ) از موسسه ی فناوری فدرال سوئیس ( ETH ) در زوریخ و همکارانش به صورت تجربی رهیافتی موسوم به انتشار همه جانبه ی موج ( immersive wave propagation ) را به اثبات رسانده اند. این رهیافت قادر است به شکل موثری مرزها را شفاف ساخته، بازتاب های ناخواسته را حذف کرده و محفظه ی آزمایش را طوری بسازد که گویی در مقیاس بزرگ تر قرار دارد [۲] . هرچند این کار برای یک کانال یک بعدی به اثبات رسیده است، رهیافت این پژوهش گران به زودی قابل تعمیم به ترکیب بندی های دوبعدی و سه بعدی خواهد بود.

در میان چالش های بسیاری که در مقابل آزمایش های زلزله شناسی وجود دارد، دو چالش بویژه رعب آوراند. اولاً برای مدل سازی یک بعدی و اهداف تصویربرداری فرض برآن است که پوسته ی زمین را می توان یک محیط کشسان در نظر گرفت که میرایی آن قابل اغماض است. این فرض در بسیاری از موارد عملی معتبر نیست. چالش دوم از این حقیقت ناشی می شود که بازسازی تصویری، یک مسئله ی معکوس است: یعنی از مجموعه ای از اندازه گیری های موج آکوستیکی، توپولوژی که چنان امواجی را تولید کرده است بازسازی می شوند. برای آنکه این مسئله بخوبی مطرح شود بایستی تعداد کافی از اندازه گیری ها انجام شود تا پارامترهای بسیار زیادی که برای توصیف ساختار زیرسطحیِ پیچیده لازم است، بدست آیند. حتی اگر یک نقشه برداری زلزله شناختی سه بعدی در ابعاد ۲۰۰ کیلومتر در ۲۰۰ کیلومتر انجام شود و ترابایت ها داده جمع آوری شود، پارامترهای سطح را نمی توان به شکل کاملی بدست آورد.

آزمون های آزمایشگاهی با طرحی کنترل شده و بهینه سازی استراتژی های داده، به محققان در مقابله با این چالش ها و برای مطالعه ی اثرات میرایی کمک کند. با این حال چینش های آزمایشگاهی محدودیت های مهمی دارند. مقیاس آن ها ضرورتاً باید هزاران برابر کوچک تر از ساختارهای در مقیاس کیلومتر زمین باشد. آزمایش ها باید در یک محفظه انجام شوند که معمولاً مخزنی با اندازه ی محدود است. بازتاب های آکوستیک پیچیده و چندگانه از دیواره های این مخزن مقایسه ی داده های میدانی را با داده های آزمایشگاهی دشوار می سازد. سیستمی که در آن مرزها شفاف ساخته می شوند مشکل انعکاس را حذف کرده و به شکل موثری اندازه ی مخزن را افزایش می دهد. یک راه حل شهودی برای این مسئله استفاده از لایه های جاذبی است که امواج بازتاب شده در مرزها را میرا سازد. با این حال چنان روش هایی به طور کامل قادر به حل این مشکل نیستند بیشتر به خاطر اینکه جاذب های کاملی وجود ندارند که به ازای گستره ی وسیعی از فرکانس های آکوستیک بکار روند.

پژوهش گران برای غلبه بر محدودیت های جاذب های انفعالی ( Passive ) به شکل نظری به جستجوی روش های پرداخته اند که شامل منابع فعال ( Active ) هستند و بازتاب ها را بواسطه ی تداخل های مخرب خنثی می کنند. یک پیشنهاد بدوی توسط رون میتت ( Rune Mittet ) در سال ۱۹۹۴ ارائه شد. میتت با استفاده از مدل سازی عددی نشان داده است که اگر میدان موجی در سطحی که توسط حجم یک آزمایش زلزله شناسی احاطه شده است ثبت شود خواهیم دید که یک ترکیب صحیح از منابع تک قطبی و چند قطبی در سطح قادر است یک میدان موجی کشسان اختیاری را در درون حجم بازتولید کند (شکل ۲). بر اساس این نتیجه گیری، دیگرِ پژوهش گران نشان داده اند که این فرآیند بازتولید را می توان برای ایجاد میدانی بکار برد که دقیقاً اثر بازتاب در مرزها را خنثی کرده [۴-۶] و منجر به روش انتشار موج همه جانبه می شود.

شکل ۲) نموداری که اختلاف بین میدان موجی فرودی که در منطقه‌ی آزمایش و بازسازی آن منتشر می‌شود را نشان می‌دهد که توسط میتت محاسبه شده است. میدان موجی بازسازی شده با امواج آکوستیک برپایه‌ی اندازه‌گیری‌های میدان موجی اصلی در مرزهای آزمایش (نشان داده شده با خطوط بریده) تولید می‌شوند. اختلاف بین میدان ورودی و بازسازی شده در درون منطقه‌ی آزمایش به صفر نردیک می‌شود.

اکنون بکر ( Becker ) و همکارانش این ایده های نظری را به آزمایشی فیزیکی مبدل کرده اند. این تیم از منابع فعال و تک قطبی هایی که در مرزها و با رایانه کنترل می شوند استفاده کرده اند. در اصل، هم منابع تک قطبی و هم دوقطبی برای خنثی سازی کامل پراکندگی های مرزی نیاز است اما مهندسی منابع دوقطبی آکوستیک چالش برانگیز است. بکر و همکارانش سهم منبع دوقطبی را با وارد کردن لایه ای مرزی که ضریب انعکاس موثر وابسته به فرکانس دارد جابجا کرده اند. این رهیافت مشابه اتاقک های فعال بدون پژواک است که اخیراً توسعه یافته اند [۷] که در آن ها از منابع خنثی کننده ی نویز برای حذف پژواک ناشی از دیواره ها بهره برده شده است. اتاقک های فعال عملکرد بهتری - بویژه در گستره ی فرکانس پایین ۷۰ هرتزی- نسبت به اتاقک های منفعل دارند (که بر اساس پوشش جاذب روی دیواره هاست).

این تیم برای اولین بار اصل انتشار موج همه جانبه را با انجام آزمایش هایی در لوله ی صوتی یک بعدی به دارازی ۱۴۵ سانتی متر که با هوا پر شده است را به اثبات رسانده اند. آن ها امواج آکوستیکی را با یک اسپیکر در یک انتهای لوله و قرار دادن منایع همه جانبه در انتهای دیگر لوله ایجاد کرده اند. روش انتشار موج همه جانبه نیازمند مشخصه یابی در نقطه ای در طول لوله و میدان های موجی داخلی و بیرونی در زمان واقعی است. نویسندگان این پژوهش این کار را با اندازه گیری میدان فشار و گرادیان آن با استفاده از میکروفن هایی به فاصله ی ۲۱ سانتی متری از منبع انجام داده اند. نتایج این تحقیق نشان می دهد که طرح انتشار موج همه جانیه به کاهشی بیشتر از ۹۵ درصد در انرژی بازتابی از مرزها (در گستره ی فرکانسی سه اکتاو ۰/۶ – ۶/۵ کیلوهرتز) منجر می شود.

این پژوهش گران انتشار موج همه جانبه را در یک ترکیب بندی یک بعدی و برای گستره ی باریکی از فرکانس ها حدود ۲ کیلوهرتز به اثبات رسانده اند. برای تعمیم آن به گستره ی فرکانسی پهن تر و به سه بعد، پژوهش گران لازم است به چندین پرسش پاسخ دهند: تعداد بهینه از حس گرها برای طرح سه بعدی چنتاست؟ چقدر باید از هم فاصله داشته باشند و آیا آن ها باهم دیگر تداخل خواهند داشت؟ این ساختار چگونه اثر حس گری میدان موج را پشتیبانی خواهد کرد؟ آیا منابع تک قطبی انرژی لازم در فرکانس های پایین را برای این طرح تامین خواهند کرد؟ برخلاف این چالش ها معتقدیم که این فناوری آکوستیکی جدید امکانات جدیدی برای آزمایش ها و کاهش چشم گیر شکاف میان آزمایش های میدانی و آزمایش های انجام یافته در آزمایشگاه را کاهش دهد.

این پژوهش در مجله ی فیزیکال ریویو اکس انتشار یافته است.

مراجع:

1. M. Landrø and L. Amundsen, Introduction to Exploration Geophysics with Recent Advances (Bivrost, Trondheim, ۲۰۱۸); https://bivrostgeo.no/wp-content/uploads/2018/04/IEGRA-92-preview-red.pdf .
2. T. S. Becker et al. , “Immersive Wave Propagation Experimentation: Physical Implementation and One-Dimensional Acoustic Results,” Phys. Rev. X ۸, ۰۳۱۰۱۱ (۲۰۱۸) .
3. R. Mittet, “Implementation of the Kirchhoff Integral for Elastic Waves in Staggered ‐ Grid Modeling Schemes, ” Geophys. ۵۹, ۱۸۹۴ (۱۹۹۴) .
4. D.-J. van Manen, J. O. A. Robertsson, and A. Curtis, “Exact Wave Field Simulation for Finite-Volume Scattering Problems,” J. Acoust. Soc. Am. ۱۲۲, EL۱۱۵ (۲۰۰۷) .
5. M. Vasmel, J. O. A. Robertsson, D.-J. van Manen, and A. Curtis, “Immersive Experimentation in a Wave Propagation Laboratory,” J. Acoust. Soc. Am. ۱۳۴, EL۴۹۲ (۲۰۱۳) .
6. F. Broggini, M. Vasmel, J. O. A. Robertsson, and D.-J. van Manen, “Immersive Boundary Conditions: Theory, Implementation, and Examples,” Geophys. ۸۲, T۹۷ (۲۰۱۷) .
7. D. Habault, E. Friot, Ph. Herzog, and C. Pinhede, “Active Control in an Anechoic Room: Theory and First Simulations,” Acta Acust. united Ac. ۱۰۳, ۳۶۹ (۲۰۱۷) .

منبع: